KR101667104B1 - 연소 불안정 제어 방법 - Google Patents

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KR101667104B1
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/26—Details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 능동적으로 연소 불안정을 제어할 수 있음은 물론이고, 연소 튜닝 시 최적의 연소조건을 제시할 수 있는 연소 불안정 제어 방법을 제공한다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 특성 시간 지연 분석기법을 이용하여 연소 불안정 여부를 판단하는 단계(A); 및
상기 (A)단계에서, 연소 불안정으로 판단 시 연소 조건을 제어하는 단계(B)를 포함하고,
상기 (A)단계에서, 상기 특성 시간 지연 분석기법에 이용되는 특성 시간(
Figure 112014067271877-pat00083
)은 대류 시간(
Figure 112014067271877-pat00084
), 음향 시간(
Figure 112014067271877-pat00085
) 및 삐뚤어짐 시간(
Figure 112014067271877-pat00086
)의 합으로 이루어지고,
상기 (A)단계에서는, 상기 특성 시간(
Figure 112014067271877-pat00087
)을 불안정 주기(
Figure 112014067271877-pat00088
)로 나누어 하기의 수식 1과 같이 불안정 영역조건을 만족시켰을 때, 불안정이 발생하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 연소 불안정 제어 방법을 개시한다.
[수식 1]
Figure 112014067271877-pat00089

Description

연소 불안정 제어 방법{Method for controlling combustion instability}
본 발명의 일 실시예는 연소 불안정 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가스터빈 발전시스템은 메탄(CH4)이 주성분인 천연가스를 주로 연료로 사용하지만, 석탄가스화 복합발전 플랜트에서는 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 주성분인 합성가스를 연료로 사용하기에 연소특성이 많이 달라져 연소 상에 역화, 연소 불안정(Combustion Instability) 등의 문제로 인한 사고사례가 많이 보고되고 있다.
또한, H2/CO 합성가스 연소 시 고주파 다중 모드 연소 불안정(High Frequency Multi-mode Combustion Instability)이 발생할 가능성이 높아, 이 고주파 다중 모드에서의 연소 불안정은 연소 불안정의 예측 및 제어가 어렵고, 불안정 발생 시 초당 연소실 벽면에 가하는 충격 빈도가 매우 크기에 매우 심각한 연소실의 소손을 유발시킬 문제점이 발생한다.
또한, 도 1에 비교/도시된 바와 같이, 연소속도가 빠른 수소를 다량 포함한 합성가스를 가스터빈에 연소 시 고주파의 연소 불안정이 그의 배음(Harmonics)과 함께 나타나는 것이 특징적인데, 이러한 특징 때문에 연소 불안정 예측이 잘 맞지 않게 된다. 종래에는 대부분 천연가스를 연료로 하고 있기에 연소 시 배음이 포함되지 않은 기본 모드(Fundamental Mode)의 연소 불안정이 주를 이루었으나, 실제 H2/CO/CH4 합성가스 연소실험결과 나타난 연소 불안정은 상당 크기의 배음이 추가됨에 따라 찌그러진 파형이 나타났다. 이러한 배음의 추가는 시간지연분석에 의한 연소 불안정 예측 시 약10~20% 수준의 오차를 야기한다.
본 발명의 일 실시예는 능동적으로 연소 불안정을 제어할 수 있음은 물론이고, 연소 튜닝 시 최적의 연소조건을 제시할 수 있는 연소 불안정 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 연소 불안정 제어 방법은 특성 시간 지연 분석기법을 이용하여 연소 불안정 여부를 판단하는 단계(A) 및 상기 (A)단계에서, 연소 불안정으로 판단 시 연소 조건을 제어하는 단계(B)를 포함하고, 상기 (A)단계에서, 상기 특성 시간 지연 분석기법에 이용되는 특성 시간(
Figure 112014067271877-pat00001
)은 대류 시간(
Figure 112014067271877-pat00002
), 음향 시간(
Figure 112014067271877-pat00003
) 및 삐뚤어짐 시간(
Figure 112014067271877-pat00004
)의 합으로 이루어지고,
상기 (A)단계에서는, 상기 특성 시간(
Figure 112014067271877-pat00005
)을 불안정 주기(
Figure 112014067271877-pat00006
)로 나누어 하기의 수식 1과 같이 불안정 영역조건을 만족시켰을 때, 불안정이 발생하는 것으로 판단한다.
[수식 1]
Figure 112014067271877-pat00007
상기 삐뚤어짐 시간(
Figure 112014067271877-pat00008
)은 하기의 수식 2을 통해 연산될 수 있다.
[수식 2]
Figure 112014067271877-pat00009
(여기서, t1은 변형되기 전 파형(
Figure 112014067271877-pat00010
)의 최고점 시간이고, t2는 변형된 후 파형(
Figure 112014067271877-pat00011
)의 최고점 시간(t2)이고, R은
Figure 112014067271877-pat00012
와
Figure 112014067271877-pat00013
함수의 진폭비임.)
상기 (A)단계에서, 상기 특성 시간 지연 분석기법에 이용되는 특성 시간(
Figure 112014067271877-pat00014
)은 점화지연 시간(
Figure 112014067271877-pat00015
) 및 화학반응 시간(
Figure 112014067271877-pat00016
)을 더 포함하고, 상기 (A)단계에서는, 상기 특성 시간(
Figure 112014067271877-pat00017
)을 불안정 주기(
Figure 112014067271877-pat00018
)로 나누어 하기의 수식 3과 같이 불안정 영역조건을 만족시켰을 때, 불안정이 발생하는 것으로 판단할 수 있다.
[수식 3]
Figure 112014067271877-pat00019
상기 (A)단계에서, 연소 불안정으로 판단 시, 시각적 및/또는 청각적인 알림을 행하는 단계(C)를 더 포함할 수 있다.
상기 (B)단계에서는 화염의 조성, 당량비, 파일롯/메인 연료비 등을 조절하는 능동적 제어기법 및/또는 Baffle, Resonator 추가 혹은 연료 분사구의 위치 수정 등의 수동적 제어기법을 통해 연소 조건을 제어할 수 있다.
상기 (B)단계에서는 연료/공기 혼합거리 및 연료 분사구의 위치를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소 불안정 제어 방법은 능동적으로 연소 불안정을 제어할 수 있음은 물론이고, 연소 튜닝 시 최적의 연소조건을 제시할 수 있다.
도 1은 배음(Harmonics)의 유무에 따른 연소실 내 동압 파형을 비교한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연소 불안정 제어 방법에서, 연료 분사구 및 연소기를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연소 불안정 제어 방법에서, 연소기 내 동압 발생 후 열발생까지의 진화과정을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연소 불안정 제어 방법에서, 연소기 내 동압 및 열발생 섭동을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연소 불안정 제어 방법에서, 연소 불안정 예측을 위한 시간지연 선도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연소 불안정 제어 방법에서, 시간지연 선도를 이용한 연소불안정 예측 실험결과를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연소 불안정 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에서는 합성가스 연료는 조성의 변화가 클뿐더러 조성에 따른 화염의 형상, 점화지연시간, 화학반응시간 등의 여러 가지 특성 시간이 다르기에 전체 주기시간 계산에 있어서, 이들의 시간 스케일을 다 고려해 주어야 한다. 또한, 화염의 구조가 많이 달라지는 것은 음파의 파장이 짧은 고주파 연소진동의 경우 총 주기시간에 크게 영향을 미치므로 정확히 계산할 필요가 있어서 종래에 1차원 형상으로 화염길이를 계산하는 방식에서 2차원 단면의 화염 이미지로부터 강도 중심(Intensity Weighted Centroid)을 구하고, 이로부터 화염 기저면까지의 거리를 화염 길이로 정의하는 방식을 취하여, 그 정확도를 높였다.
특히, 연소속도가 빠른 합성가스의 경우 화염의 역화를 방지하기 위해 연료/공기 혼합거리가 짧은 연소기를 사용하기에 화염길이를 정확히 계산할 필요가 있고, 2차원 화염길이 모델이 이러한 이유에서 더욱 효과적이라 할 수 있다.
또한 종래의 기술들은 배음의 중첩으로 인한 동압의 찌그러짐 현상이 고려되지 않았고, 모두 사인파 형태를 띤다고 가정하고, 시간 지연분석을 실시하였으나, 본 발명에서는 동압의 찌그러짐 정도와 이로부터 복원된 열발생 파의 형상을 고려하여 삐뚤어짐 시간을 정의하고, 이를 계산하여 반영함으로써 예측을 정확도를 제고하였다.
우선, 도 2에 도시된 바와 같이, 특성 길이를 아래와 같이 정의하고, 설계 자료 및 실험 데이터베이스를 통해 정량적으로 구해낸다. OH라디칼의 공간적 분포를 나타내는 OH* 평면 레이저 유도 형광기법(Planar Laser Induced Fluorescence) 혹은 OH* 자발광(Chemiluminescence) 이미지를 통해 화염의 강도 가중된 중심(Intensity-weighted Centroid)을 구하고, 이로부터 화염의 기저면(Flame Base)까지의 거리를 화염길이(
Figure 112014067271877-pat00020
) 이라 정의하고, 연료공기가 혼합되기 시작하는 연료분사구로부터 화염의 기저면까지 거리를 혼합거리(
Figure 112014067271877-pat00021
)로 정의한다.
Figure 112014067271877-pat00022
= 화염의 기저면부터 강도중심까지의 거리?
Figure 112014067271877-pat00023
= 연료 분사구부터 화염의 기저면까지의 거리
이후, 도 3을 참조하여, 특성 길이를 구한 후 연소실 내 고주파 다중 모드의 진화과정을 설명한다.
(a) 화염에서 다중 모드의 연소 진동으로 인해의
Figure 112016003868297-pat00097
주기로 찌그러진 파형을 가지는 압력 섭동(p')이 발생한다.
(b) 이 압력의 섭동이 음향 시간(
Figure 112014067271877-pat00025
) 후에 연료 분사구에 도달하게 된다.
(c) 연료 분사구에서의 압력섭동은 연료의 공급량을 막았다 열었다 하면서 다시 위상이 역전된 당량비의 섭동을 유발한다.
(d) 이러한 당량비의 섭동은 대류시간 이후에 화염의 기저면(flame base)에 도달하게 된다.
(e) 화염의 기저면에서부터 급속한 연소반응이 일어나기 전까지 점화지연시간(
Figure 112014067271877-pat00026
) 이후 연소되는 데 걸리는 화학반응시간(
Figure 112014067271877-pat00027
) 동안에 열발생의 섭동(q')이 발생한다. 이 때 다중 모드의 압력섭동으로 인해 찌그러진 파형의 당량비 섭동은 화염장에서 체류되었다 연속적으로 연소되는 과정에 의해 사인파형으로 복원된다. 이러한 찌그러진 압력 섭동이 사인파 형태의 열발생 섭동을 유발하는 것을 도 4와 같이 실험을 통해 검증된다.
이후, 특성 시간을 다음과 같이 정의하고, 각각의 값들을 계산 및 실험을 통해 정량적으로 구해낸다.
우선, 상기 대류 시간(Convective Time,
Figure 112014067271877-pat00028
)은 연료 분사구에서 발생한 당량비의 섭동이 화염에서 열발생량의 섭동을 일으키기 전 대류 전달되는데 걸리는 시간으로 정의하며, 다음의 수학식 1과 같이 연산 된다.
Figure 112014067271877-pat00029
여기서,
Figure 112014067271877-pat00030
는 연소실로의 혼합기 유입 속도를 나타냄.
다음으로, 상기 음향 시간(Acoustic Time,
Figure 112014067271877-pat00031
)은 화염에서 발생한 동압 진동이 연료 분사구까지 진행하는데 걸리는 음파의 전파시간으로 정의하며, 다음의 수학식 2와 같이 연산 된다.
Figure 112014067271877-pat00032
다음으로, 상기 점화지연 시간(Ignition Delay Time,
Figure 112014067271877-pat00033
)은 화염장에서 혼합기가 급격한 반응을 일으키는데 걸리는 지연시간으로 정의하며, 균질한 혼합기(Homogeneous Mixture)가 급속 압축 기기(Rapid Compression Machine)속에 있다는 가정 하에 설정된 프로그램(예를 들면, Chemkin-Pro 프로그램 및 Aramco 혹은 GRI 3.0메카니즘)을 이용하여 구할 수 있다.
다음으로, 상기 화학반응시간(Chemical Reaction Time,
Figure 112014067271877-pat00034
)은 점화지연 시간 이후에 화학반응이 일어나는데 걸리는 시간으로 정의되며, 다음의 수학식 3과 같이 화염의 두께(Flame Thickness,
Figure 112014067271877-pat00035
)를 층류화염속도(Laminar Flame Speed,
Figure 112014067271877-pat00036
)로 나누어 화염면을 다 타고 들어가는데 걸리는 시간을 연산하여 구한다.
Figure 112014067271877-pat00037
마지막으로, 상기 삐뚤어짐 시간(Skewness Time,
Figure 112014067271877-pat00038
)은 도 2에 도시된 바와 같이, 배음으로 인해 동압파가 찌그러졌을 때 이를 고려하기 위해 찌그러지기 전 파형(
Figure 112014067271877-pat00039
)의 최고점 시간(t1)과 찌그러진 후의 파형(
Figure 112014067271877-pat00040
)의 최고점 시간(t2)의 차이로 연산한다. 이때,
Figure 112014067271877-pat00041
과
Figure 112014067271877-pat00042
는 다음의 수학식 4와 같이 정의되며,
Figure 112014067271877-pat00043
은 사인파형을 가진
Figure 112014067271877-pat00044
의 주파수,
Figure 112014067271877-pat00045
과
Figure 112014067271877-pat00046
의 배음 함수의 진폭비를 R=A/B으로 정의한다. 따라서 삐뚤어짐 시간(
Figure 112014067271877-pat00047
)은
Figure 112014067271877-pat00048
및
Figure 112014067271877-pat00049
의 시간미분을 0으로 만드는 값(t1, t2)을 구하여 다음의 수학식 5와 같이 연산된다.
Figure 112014067271877-pat00050
Figure 112014067271877-pat00051
Figure 112014067271877-pat00052
Figure 112014067271877-pat00053
이후, 총 지연시간(Total Lagging Time,
Figure 112014067271877-pat00054
)을 다음의 수학식 6와 같이, 상기 특성 시간들의 합으로 정의/연산한다.
Figure 112014067271877-pat00055
여기서, 상기 점화지연 시간(
Figure 112014067271877-pat00056
)과 화학반응 시간(
Figure 112014067271877-pat00057
)의 크기가 다른 시간 스케일보다 대부분의 경우 월등히 작기 때문에 이를 무시할 수도 있다.
이로써, 불안정의 주기(Oscillation Time,
Figure 112014067271877-pat00058
)에 대한 지연 시간비를 다음의 수학식 7과 같이 연산하고, 이 범위가 Rayleigh Criterion을 만족시키는 조건에 있을 때, 연소 불안정이 발생하는 영역임을 예측한다.
Figure 112014067271877-pat00059
여기서, n은 정수임.
이후, 도 5와 같이, 연소진동 데이터베이스로부터
Figure 112014067271877-pat00060
에 대한 연소 불안정의 크기를 나타내는 선도인 시간지연선도(Time-lag Plot)를 그려 연소 불안정 영역의 운전 조건을 확인하고, 그 결과
Figure 112014067271877-pat00061
가 불안정의 영역에 있는 경우 안정의 영역으로 이동시키기 위해 연소 조건을 제어한다.
여기서, 상기 연소 조건의 제어는 화염의 조성, 당량비, 파일롯/메인 연료비 등을 조절하는 능동적 제어기법 및/또는 Baffle, Resonator 추가 혹은 연료 분사구 위치 수정 등의 수동적 제어기법을 이용할 수 있다.
또한, 연소 불안정을 시각적 및/또는 청각적인 별도의 알람 장치를 이용해, 관리자가 확인할 수 있도록 알림을 행한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 불안정 제어 방법은 상술한 일련의 과정을 거치며, 이는 도 7에 도시된 제어 순서/흐름과 같다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 불안정 제어 방법은 H2/CO가 주성분인 합성가스 혹은 미량의 수소를 함유하고 있는 합성 천연가스를 가스터빈 내에서 연소할 때 발생하는 고주파 다중 모드 연소 불안정을 예방하기 위해 시간지연분석을 이용한 고주파 다중 모드의 연소 불안정의 예측 및 제어를 수행한다.
여기서, 연소 불안정이 생기는 영역을 도시한 시간지연 선도에서 수학식 7과 같이,
Figure 112014067271877-pat00062
가 정수일 때 가장 연소 불안정이 강하게 나타나게 되는데, 이를 피하기 위해서는
Figure 112014067271877-pat00063
가 n+0.5 일 때로 이동하기 위해 연료조성, 파일로/메인 연료비 및 질소희석율 등을 변경하여 안정한 영역으로 이동시키면, Rayleigh Criterion의 열 발생과 동압 섭동의 위상이 180도 차이로 빗나가면서(Out of Phase) 연소 불안정은 전혀 발생하지 않게 된다. 이러한 방법을 이용한 실험결과는 도 6과 같이 검증되었으며, 이는 연소기 설계 시에 혼합 거리에 영향을 미치는 연료 주입구의 위치를 정하는데 유용하게 사용될 수 있다. 특히 이러한 분석을 통해서 불안정한 연소의 원인이 무엇인지 보다 쉽고, 정확하게 파악할 수 있고, 이를 줄이기 위한 조치도 신속하게 취할 수 있다.
본 발명은 상기 실시 예들에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정/변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

Claims (6)

  1. 특성 시간 지연 분석기법을 이용하여 연소 불안정 여부를 판단하는 단계(A); 및
    상기 (A)단계에서, 연소 불안정으로 판단 시 연소 조건을 제어하는 단계(B)를 포함하고,
    상기 (A)단계에서, 상기 특성 시간 지연 분석기법에 이용되는 특성 시간(τtot1)은 대류 시간(τconv), 음향 시간(τacou) 및 삐뚤어짐 시간(τskew)의 합으로 이루어지고,
    상기 (A)단계에서는, 상기 특성 시간(τtot1)을 불안정 주기(τosc)로 나누어 하기의 수식 1과 같이 불안정 영역조건을 만족시켰을 때, 불안정이 발생하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하고,
    [수식 1]
    Figure 112016069784229-pat00098

    상기 대류 시간(τconv)은 하기의 수식 2를 통해 연산되는 것이고,
    [수식 2]
    Figure 112016069784229-pat00099

    (여기서, Lmix는 연료 분사구부터 화염의 기저면까지의 거리이고, Lflame 은 화염의 기저면부터 강도중심까지의 거리이고, Ueff는 연소실의 혼합기 유입 속도이다.)
    상기 음향 시간(τacou)은 하기의 수식 3을 통해 연산되는 것이고,
    [수식 3]
    Figure 112016069784229-pat00100

    상기 삐뚤어짐 시간(τskew)은 하기의 수식 4을 통해 연산되는 것이고,
    (여기서 c는 음파의 전파속도이다.)
    [수식 4]
    Figure 112016069784229-pat00101

    (여기서, t1은 변형되기 전 파형(F1)의 최고점 시간이고, t2는 변형된 후 파형(F2)의 최고점 시간(t2)이고, R은 F1와 F2 함수의 진폭비이며, f1 은 하기 F1의 주파수임.)
    상기 변형되기 전 파형(F1)은 하기의 수식 5와 같이 연산되는 것이고,
    [수식 5]
    Figure 112016069784229-pat00102

    상기 변형된 후 파형(F2)은 하기의 수식 6와 같이 연산되는 것이고,
    [수식 6]
    Figure 112016069784229-pat00103

    (여기서, A는 F1의 진폭, B는 F2의 배음 함수의 진폭이다.)
    상기 불안정 주기(τosc)는 하기의 수식 7과 같이 연산되는 것을 특징으로 하는 연소 불안정 제어 방법.
    [수식 7]
    Figure 112016069784229-pat00104
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 (A)단계에서, 상기 특성 시간 지연 분석기법에 이용되는 특성 시간(τtot2)은 점화지연 시간(τign) 및 화학반응 시간(τchem)을 더 포함하고,
    상기 (A)단계에서는, 상기 특성 시간(τtot1)을 불안정 주기(τosc)로 나누어 하기의 수식 8과 같이 불안정 영역조건을 만족시켰을 때, 불안정이 발생하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하고,
    [수식 8]
    Figure 112016003868297-pat00105

    상기 점화지연 시간(τign)은 화염장에서 혼합기가 급격한 반응을 일으키는데 걸리는 지연시간이고,
    상기 화학반응 시간(τchem)은 하기의 수식 9와 같이 연산되는 것을 특징으로 하는 연소 불안정 제어 방법.
    [수식 9]
    Figure 112016003868297-pat00106

    (여기서, δflame은 화염의 두께이고, SL은 층류화염속도임)
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 (A)단계에서, 연소 불안정으로 판단 시, 시각적 및/또는 청각적인 알림을 행하는 단계(C)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 불안정 제어 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 (B)단계에서는 화염의 조성, 당량비, 파일롯/메인 연료비 등을 조절하는 능동적 제어기법 및/또는 Baffle, Resonator 추가 혹은 연료 분사구의 위치 수정 등의 수동적 제어기법을 통해 연소 조건을 제어하는 것을 특징으로 하는 연소 불안정 제어 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 (B)단계에서는 연료/공기 혼합거리 및 연료 분사구의 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 연소 불안정 제어 방법.
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